高一物理人教版宇宙航行1教案

教案
环节一：牛顿的设想一、牛顿的设想
二、根据牛顿的设想判断不同抛出速度物体运动情况
1、轨迹a对应的抛出速度最小，轨迹
c对应的抛出速度最大。

在引力的作用
下，c刚好成为了一颗在地球表面附近
做匀速圆周运动的人造卫星。

按照牛
顿所说，此时万有引力提供向心力。

2、通过开普勒定律的学习我们知道，
如果抛出速度继续增大，物体将绕地
球运动的轨迹是一个椭圆，速度越大，
对应椭圆的长轴也越长。

但椭圆的长
轴不会无限的变长，
3、牛顿也提到了当抛出速度达到一定的速度，物体就
不会回到地球，而永远离我们而去。

看来成为地球的一
颗卫星，发射时的速度也要控制在一定的范围内。

我们
就把这个极限叫做宇宙速度。

引入新课，使学生了
解牛顿从动力学角度
对宇宙航行的设想
环节二：宇宙速度1、第一宇宙速度
当物体的发射速度达到某一值，物
体在地球表面附近做匀速圆周运
动，此时的发射速度我们叫做第一
宇宙速度。

这个速度为7.9千米每
秒。

当发射速度超过这一速度时，
物体都会成为绕地球做椭圆轨道
运动的卫星，而且发射速度越大对
应椭圆的长轴就越长。

2、第二宇宙速度
当地面附近的物体发射速度等于或大于11.2千米每秒
时，物体就会克服地球的引力束缚，永远离开地球，我
们把这一发射速度称为第二宇宙速度。

因此我们若想发
射一个进入太阳系进行科学研究的飞行器，发射速度要
等于或大于第二宇宙速度。

3、第三宇宙速度
如果在地球附近发射飞行器的速度等于或大于16.7千
承上启下，使学生清
楚，要成为一颗地球
的卫星，发射速度在
一定限度内。

同时了
解宇宙速度。

把物体从高山上水平抛出，速度
一次比一次大，落地点也就一次
比一次远；抛出速度足够大时，
物体就不会落回地面，成为人造
地球卫星
米每秒，飞行器不仅脱离地球的引力束缚，甚至可以脱离太阳的引力束缚，成为进入银河系的飞行器。

当我们了解更多关于飞行器运动的规律，我们就可以按照我们的需求将卫星发射到预定的轨道。

环节三：人造卫星一、利用变轨的方式将卫星发射到预定轨道
利用前面学习的内容，讨论如何将卫星发射到预定轨道。

首先将卫星发射常先将卫星送到近地轨道，利用制卫星自身动力，在太空中无大气阻力的环境下通过加速变轨最终到达目标轨道。

比如我们在地球上要将卫星发射到3轨道，让卫星绕地球做匀速圆周运动。

首先，我们利用火箭将发射到近地轨道1，然后在1轨道上M点，利用卫星动力系统沿卫星运动方向使卫星加速，从而使卫星进入椭圆轨道2，从而代替了从M点直接将卫星发射到椭圆轨道2。

当卫星运动到N点时，2轨道与3轨道相切，此时再次利用卫星自身动力，使卫星再次加速进入3轨道，从而完成了卫星的发射。

二、卫星运动的快慢
1、描述卫星的运动
可以设卫星的质量为m，我们可以利用
万有引力定律和向心力的公式计算出
卫星绕地球运动的线速度大小。

再利用
匀速圆周运动线速度、角速度、周期之间的关系，我们还可以得到卫星运行的角速度，周期为，通过对这些物理量的计算，根据我们的需要，就可以计算所要发射的卫星的运行轨道高度，计算出预定轨道。

在同一轨道上运行的不同卫星，他们的线速度，角速度，周期都是相等的。

2、比较卫星运动的快慢
若存在两颗人造卫星，沿同一方向绕地球在各自的圆轨道上做匀速圆周运动。

试比较两颗卫星的线速度、角速度、周期大小的关系。

由卫星线速度的表达式我们能够看出，由于1轨道的半径小于2轨道，所以1轨道上卫星的线速度大于2轨道上卫星的线速度。

同理通过角速度的表达式我们也可以判断，轨道半径小的卫星角速度
大，因此轨道1上的卫星的角速度大于卫星2上卫星的角速度。

再根据角速度与周期的关系，我们可以判断轨道1上的卫星运行周期小于轨道2上卫星的运行周期。

又因为轨道1与2是任意的，所以我们可以看出，地球周围绕地球沿圆轨道运动的卫星，半径越小，线速度和角速度越大，周期越小。

最后，从开普勒第三定律的角度再次分析这个问题，使前后知识相互呼应。

三、常见的卫星
1、极轨卫星
几颗轨道平面与赤道面垂直、周期
性通过两极的极轨卫星，就能形成
全球气象观测系统，做更加准确的
预报。

如图所示，轨道平面沿竖直
方向的就是极轨卫星的轨道。

2、地球同步卫星
同步卫星，其轨道平面与赤道平面重合，卫星的运行方向与地球自转方向相同，卫星运行周期与地球自转一周的时间相等，因此卫星与地球以相同的角速度旋转，相对赤道上的固定点是静止的，又称对地静止卫星。

对于同步卫星来说，它们的周期都为24小时，在同一确定轨道上沿地球绕行方向运动
同步卫星的轨道高度约为36000千米
3、近地卫星
近地卫星的速度为7.9千
米每秒，这也正是第一宇宙速度，
也是所有绕地球做圆周运动卫星
的最大速度。

带入周期表达式，得
到近地卫星的环绕周期为85分钟，
这也是所有绕地球做圆周运动卫
星的最小运行周期。